Но гениальный мозг Эйнштейна сразу уловил, в чем главная беда квантовой механики с ее непредсказуемостью. Эта страшная беда состояла в ее нелокальности! Эйнштейн моментально смекнул, раньше многих, что квантовая механика убивает физическую реальность.
Что это значит? О-о, это требует осмысления!
Мы с вами люди тертые, нас на мякине не проведешь, мы понимаем, что никакого колдовства, чудес и магии не бывает. Силой воли дверь не откроешь, нужно подойти к ней и толкнуть. Или палкой дотянуться. На худой конец подойдет и полевое воздействие на расстоянии – как между магнитом и скрепкой – тут важно дотянуться до объекта воздействия веществом или полем. А если предмет воздействия от тебя в миллионе световых лет, то как ты на него повлияешь? Ладно, не будем брать космические масштабы… Если в ста километрах находится радиоуправляемая мина, которую вам нужно взорвать, вы должны послать радиосигнал. И когда он долетит до мины со скоростью света, мина взорвется. Но не раньше. Сигнал должен дойти! Скорость света – самое быстрое, что может быть, учил Эйнштейн. Природа так устроена, что ничего быстрее скорости света не летает. 300 тысяч километров в секунду – это предел для распространения любого сигнала.
Теория относительности была многократно проверена, и с тем, что ничто в мире, никакой сигнал на свете не может перемещаться быстрее света, никто из физиков давно не спорит. Это на сегодня твердо установленный факт.
Магии не бывает, волшебное воздействие на расстоянии – силой мысли, одним только голым желанием или с помощью магических штучек – невозможно. Никакого дальнодействия не существует. Только близкодействие: подойти и толкнуть или послать управляющий полевой сигнал.
А в квантовой механике Эйнштейн опытным глазом снайпера сразу углядел дальнодействие, которое даже назвал «жутким». Он, кажется, первым увидел то, чего не видел и не осознавал о ту пору еще никто в мире. И вот как раз разоблачению этого «жуткого дальнодействия» и был посвящен придуманный им ЭПР-парадокс.
Следите за мыслью великого физика!.. Если Бор и его банда утверждают, что классическая физическая реальность (то есть частицы со своими конкретными свойствами) возникает из Великой Непредсказуемой Квантовой Потенции с помощью акта наблюдения/замера, то получается, что две запутанные частицы, которые разлетелись на миллион километров, как-то незримо остаются связаны друг с другом, раз измерение одной частицы мгновенно творит тоже самое свойство у другой частицы, которую никто не трогал и которая находится в миллионе километров отсюда! Мгновенно! Быстрее скорости света!
Собственно, весь мысленный эксперимент с ЭПР-парадоксом был просто развернутым и расширенным описанием обычной и привычной уже к тому времени физикам редукции волновой функции, когда «размазанное» по всему пространству волновое облачко при воздействии на него вдруг мгновенно стягивается в точку. В каком именно месте стянется, предсказать невозможно.
Эйнштейн, Подольский и Розен наивно полагали, что их мысленный эксперимент ловко привел квантовую физику к противоречию, а любителей копенгагенской интерпретации к проигрышной альтернативе: либо квантовая механика неполна, либо существует то самое «жуткое дальнодействие», по сути – чистая магия. Телепортация!
Эта троица в 1935 году и подумать не могла, что когда-нибудь техника дойдет до такого уровня, что их мысленный эксперимент можно будет реализовать. И уже после появления неравенства Белла первым поставил эксперимент по проверке этого неравенства Ален Аспект, подтвердивший: да, неравенство Белла нарушается, а это значит, что:
– никаких скрытых переменных не существует, дорогой Эйнштейн;
– квантовая механика полна, дорогой Эйнштейн;
– мгновенное дальнодействие существует, дорогой Эйнштейн.
Подобные опыты были многократно повторены и позднее, причем иногда их так и называют – опыты с квантовой телепортацией.
Вот краткое описание одного из таких опытов, проведенных в Женеве в 2008 году. Два сцепленных или запутанных между собой фотона, свойства которых взаимосвязаны, рассылаются по оптоволоконным кабелям в разные стороны (в данном случае фотоны разлетелись друг от друга на 18 км). После чего у одного из фотонов замеряется спиральность. Не углубляясь в детали того, что такое спиральность, скажем лишь, что она может быть либо +1, либо –1. Причем, поскольку наши фотоны «родственны», то если у левого спиральность –1, то у правого +1 (и наоборот), поскольку в сумме их спиральность должна равняться нулю.
Квантовая механика гласит, а опыт Аспекта по проверке неравенства Белла подтверждает, что в полете фотон обладает сразу всеми свойствами, то есть находится в суперпозиции свойств – имеет и спиральность +1 в потенции, и -1 в потенции. И только физический замер присваивает фотону какое-то конкретное свойство. То есть если мы намерили у левого фотона +1, то в то же самое мгновение у правого, находящегося в 18 км от него, возникает свойство -1. Которого раньше не было, поскольку правый фотон также находился в суперпозиции свойств.
Позже на Канарских островах фотоны растащили вообще по разным островам, расстояние между которыми достигало 144 км. С тем же результатом: произошла «телепортации» свойств одного фотона другому, и произошла она мгновенно, то есть со скоростью, в десятки тысяч раз превышающей скорость света.
Был также проведен и прямой опыт по мгновенной телепортации квантовых свойств от частицы А к частице С через посредство частицы В.
И ничего в этом страшного для Эйнштейна нет, потому что передается не информация, а состояние. Поясняя широкой публике этот феномен передачи с бесконечной скоростью, везде пишут – и пишут правильно! – что таким вот мгновенным образом нельзя передавать информацию и создавать на этом свойстве средства мгновенной связи.
Для людей, не очень понимающих тонкости квантовой механики, все сказанное необязательно представляется удивительным. Они могут сказать:
– А что тут такого? Просто замерив в одном месте значение, мы сразу узнали, что происходит в тысячах километров. Ну и что? Представьте, что какой-то шутник разделил пару носков и разослал их своим друзьям на разные континенты. Тогда, открыв в Америке свою посылку и увидев там левый носок, я мгновенно узнаю, что в Австралию пришла посылка с правым носком. Ну и что тут удивительного?
А то здесь удивительного, что аналогия с носками не проходит. Она в корне ошибочна. Я в который уже раз хочу повторить важнейшую вещь: в случае с носками мы знаем, что в посылке до замера уже лежал либо левый, либо правый носок. А фотон находится в суперпозиции свойств, то есть одновременно имеет все возможные значения и никакого конкретного, реального. Его реальность создается замером.
Чтобы яснее продемонстрировать эту парадоксальность квантовой механики, гениальный Шрёдингер, имя коего носят уравнение и кот, придумал свой знаменитый мысленный эксперимент с мяукающим млекопитающим, о котором мы поговорим ниже. А сейчас продолжим рассмотрение разных квантовых экспериментов, чтобы попривыкнуть малость к необычностям квантовой механики.
Самый простой квантовый эксперимент мы уже знаем, его рисунок был дан выше – с полупрозрачным зеркалом и понятным результатом: 50 на 50. Давайте теперь чуть-чуть усложним схему.
Несмотря на появление дополнительных зеркал, принципиально тут ничего не поменялось – фотоны по-прежнему ведут себя как частицы с вероятностью выпадения орла или решки – или проникая сквозь полупрозрачное зеркало, или отражаясь от него и попадая в первый или второй детекторы. То есть летят только по одному из двух возможных путей.
Рис. 12
Уважаемый Нильс Бор учил, подняв вверх указательный палец: квантовые объекты обладают свойствами и волн, и частиц одновременно, и какую сторону медали мы увидим, зависит лишь от экспериментальной установки… В связи с этим возникает вопрос: а можем мы внести какие-то изменения в нарисованную выше установку, чтобы увидеть не корпускулярные, а волновые свойства тех же фотонов?
Можем! Вот, пожалуйста…
Поставим на пути пересечения лучей еще одно полупрозрачное зеркало. Причем, меняя настройки установки (сдвигая на полволны фазу на разных плечах фотонных маршрутов), мы можем добиться того, что все фотоны будут попадать только в один детектор, а в другой – никогда. Почему? Потому что волны, попадая на второе полупрозрачное зеркало, в результате сдвига по фазе суммируются так, что в сторону одного детектора они складываются, а в сторону второго – гасятся. Что прекрасно демонстрирует нам не корпускулярную, а волновую природу света. То есть получается, что фотон, как волна, летит по обоим путям сразу и интерферирует сам с собой.
Рис. 13
Наверняка, вам это уже не удивительно, тем более что Бор все объяснил: наблюдаемое свойство зависит от экспериментальной установки.
Но вот в чем не замечаемый многими парадокс… Когда фотон «решает», как ему нужно себя повести, чтобы удовлетворить экспериментатора – по одному пути лететь как частица, или по двум как волна? В какой момент им принимается это решение? Тут ведь вот какая закавыка: когда фотон прилетает на первое полупрозрачное зеркало, он ведь еще не знает, что происходит впереди на его пути – стоит там второе полупрозрачное зеркало или нет. Если оно есть, все фотоны послушно полетят по двум путям одновременно как волны, и на втором полупрозрачном зеркале сложатся сами с собой, дав все прилеты только в один детектор. Если же второго полупрозрачного зеркала нет, фотоны еще на первом полупрозрачном зеркале должны будут случайно выбирать только один путь и шлепаться равновероятно то в один детектор, то в другой.
Они что, обладают даром предвидения? Или им из будущего сигнал приходит, как надо действовать?
А ведь этот эксперимент можно раздуть до космических масштабов! Физик Уилер предложил следующий мысленный эксперимент. Если в качестве прибора использовать галактику, за которой спряталась звезда, излучающая фотоны в сторону Земли, то за счет так называемого гравитационного линзирования фотоны обогнут галактику с обеих сторон и полетят дальше. Если теперь на их пути поставить полупрозрачное зеркало, то окажется, что фотон шел по двум путям сразу – слева и справа от галактики. А если не ставить, получается, что он шел только по одному пути. И свой выбор, как передвигаться, фотон сделал, выходит, сотни миллионов лет назад, когда подлетал к гравитирующей линзе галактики. Но тогда на Земле еще жили динозавры, не было никаких ученых, которые через сотню-другую миллионов лет будут решать – ставить им зеркало или нет.